壁厚對具有PELE效應的EFP成型影響分析*

王雪飛,尹建平,孫加肖

(中北大學機電工程學院,太原 030051)

0 引言

PELE(橫向效應增強型侵徹體)是近幾年來出現的一種基于新型毀傷機理的新概念彈藥,其發展受到國內外彈藥界的普遍關注。該彈藥由高密度的外層殼體和裝在殼體內部的低密度惰性裝填物組成,當其撞擊目標時,彈丸內部裝填物的壓力急劇增大,殼體產生徑向膨脹,并對靶板擴孔。彈丸穿透目標后應力釋放,外殼碎裂形成大量碎片。作為一種新概念毀傷元,這種彈體能像穿甲彈一樣穿透目標的防護裝甲,其獨特的材料和結構還能使其在貫穿目標后破碎,形成像榴彈一樣的破片場,在目標內產生二次殺傷效應[1-2]。PELE撞擊靶板能夠產生明顯的橫向效應,橫向效應的強弱受多種因素影響。尹建平等研究了內外徑比與長徑比對PELE橫向效應的影響[3-4],李干等研究了不同輕金屬填充材料對PELE的影響[5]。

近年來,許多學者就弧錐結合藥型罩結構參數對EFP成型的影響進行了各種研究,如D.Cardoso和F.Teixeira-Dias研究了EFP形成的方式與影響其性能的因素[6],李偉兵等研究了弧錐結合罩的結構參數對EFP成型的影響[7]。但僅通過觀察仿真結果總結了EFP成型的趨勢,并未從微觀角度闡述現象發生的原理。且對于具有PELE效應EFP的成型與侵徹,國內很少有人研究報道。本研究將PELE彈的作用原理應用在爆炸成型彈丸上,設計了一種內含低密度裝填物的新型弧錐結合罩。采用LS-DYNA有限元軟件,通過擬合EFP成型參數曲線,分析了藥型罩的各層壁厚對EFP成型的影響規律。

1 藥型罩的結構參數與模型

新型弧錐結合藥型罩采用次口徑變壁厚設計[8-9],其結構如圖1所示。藥型罩結構參數為曲率半徑R1、R2、R3、R4,半錐角α1、α2、α3、α4及外層壁厚δ1、裝填物壁厚δ2、內層壁厚δ3。裝藥高度為60 mm,裝藥直徑60 mm。藥型罩的初始數據如表1所示。

表1 新型弧錐結合藥型罩初始結構參數

參數參數值參數參數值δ1/mm0.35α1/(°)83δ2/mm0.60α2/(°)83δ3/mm0.35α3/(°)70R1/mm50α4/(°)70R2/mm50藥型罩直徑/mm52R3/mm50裝填物直徑/mm51R4/mm50

裝藥和藥型罩均采用Lagrange算法,能夠精確描述結構邊界的運動且計算速度較快。使用Truegrid軟件進行建模和網格劃分,建立如圖2所示的三維有限元網格模型。采用過渡網格針對局部進行優化。炸藥與藥型罩界面上的節點完全對應,增強裝藥與藥型罩之間的耦合作用[10]。

裝藥采用8701炸藥,密度為1.82 g/cm3,爆速為8 480 m/s,采用高能炸藥材料模型計算,用Jones-Wilkins-Lee狀態方程描述其爆轟產物壓力,起爆方式為中心點起爆。藥型罩材料為鋼,密度為7.83 g/cm3,內部裝填物的材料為鋁,密度為2.77 g/cm3,兩者動力響應過程選取Johnson-Cook材料模型和Gruneisen狀態方程聯合描述。添加*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURF-ACE關鍵字定義裝藥與藥型罩之間的接觸算法[10]。

2 壁厚對藥型罩形成EFP的影響

2.1 影響EFP成型的因素

藥型罩成型結果主要與藥型罩微元(環形)的壓垮速度有關,影響罩微元壓垮速度的主要因素包括裝藥的爆速、罩微元的質量、罩微元所對應的裝藥質量及裝藥爆轟波陣面對罩微元的入射角等[11]。本研究所設計方案采用相同的裝藥結構、起爆方式、藥型罩材料與口徑。故影響罩微元壓垮速度的重要因素便只剩下罩微元的質量與爆轟波對罩微元的入射角。而罩微元的質量與罩的壁厚相關。

2.2 外層壁厚對EFP成型的影響

保持其他參數不變,調整外層壁厚δ1的大小,仿真結果如圖3所示。作出EFP速度、中心厚度、長度與長徑比隨外壁厚變化的曲線,如圖4所示。

結合圖3和圖4分析外層壁厚的增大對EFP成型的影響:

①由圖4(a)可知,EFP速度逐漸減小。這是因為外層壁厚增大導致藥型罩整體質量增加,從而使EFP速度減小。

②由圖4(b)可知,EFP中心厚度逐漸減小。因為外層壁厚增大使其微元質量增加,導致其微元速度減小。而只改變外層罩的結構參數,內層罩和裝填物所受到影響的變化相對較小。所以藥型罩罩頂部分速度梯度減小,其拉伸的長度變短,即形成的EFP中心厚度減小。

③由圖3可知,EFP形狀逐漸由向前壓攏型向向后翻轉型轉變。因為罩底厚度相對于整體較薄,故罩底部分的材料更容易發生形變[12]。又因為在成型過程中罩底微元本身的速度梯度很小,故研究罩底微元的變化時,主要考察其速度變化即可。綜上所述,當外層罩微元速度減小時,罩底部分的微元速度隨之減小,其在EFP成型過程中走的就靠后,即EFP尾翼位置向后移動,從而使EFP的形狀由壓攏型逐漸向翻轉型轉變。

④由圖4(c)、圖4(d)可知,EFP長度先急劇減小后稍微增大,徑向尺寸先增大后減小,長徑比先減小后增大。當δ1<0.25 mm時,EFP長度隨著尾翼的后翻和中心厚度的減小而急劇減小。當0.25 mm<δ1<0.85 mm時,EFP長度因中心厚度的減小而逐漸減小。當δ1>0.85 mm,雖然中心厚度仍在減小,但尾翼的后翻,反而使EFP長度逐漸增大;EFP徑向尺寸隨著尾翼的后翻先變大后變小;EFP長徑比在徑向尺寸和長度的共同作用下先減小后增大。

擬合EFP速度隨外層壁厚變化的曲線方程:

(1)

式中:v1為EFP速度;δ1為外層壁厚。

2.3 裝填物壁厚對EFP成型的影響

保持其他參數不變,改變裝填物壁厚δ2的大小,仿真結果如圖5所示。圖6為EFP速度、中心厚度、長度與長徑比隨裝填物壁厚變化的曲線。

結合圖5和圖6分析裝填物壁厚增大對于EFP成型的影響:

①由圖6(a)可知,EFP速度減小。因為裝填物壁厚增大使藥型罩整體質量增加,故EFP速度減小。

②由圖6(b)可知,EFP中心厚度先減小后增大。

當δ2<1.6 mm時,因為隨著材料的增多藥型罩抵抗變形的能力有所提升[12],所以EFP中心厚度逐漸減小。當δ2>1.6 mm時,由于EFP尾翼變形過大導致微元之間的牽扯作用增大[11],EFP中心厚度反而增大。這種牽扯作用能夠影響速度梯度的大小,從而影響EFP成型。

③由圖5可知,EFP的形狀逐步由壓攏型向翻轉型轉變。因為裝填物壁厚增加使其微元速度減小,故罩底速度減小,從而使EFP尾翼逐漸后翻。

④由圖6(c)、圖6(d)可知,EFP長度先稍微減小后急劇增大,徑向尺寸持續增大,長徑比先減小后增大。當δ2<2.1 mm時,EFP長度等于罩頂厚度,兩者變化規律一致,均逐漸減小。當δ2>2.1 mm時,隨著EFP尾翼的后翻,其長度逐漸變大;EFP徑向尺寸也隨著尾翼的翻轉持續增大;EFP長徑比在徑向尺寸和長度的共同作用下先減小后增大。

擬合EFP速度隨裝填物壁厚變化的直線方程:

v2=3 038.403 88-248.689 92δ2

(2)

式中:v2為EFP速度;δ2為裝填物壁厚。

2.4 內層壁厚對EFP成型的影響

保持其他參數不變,改變內層壁厚δ3的大小,仿真結果如圖7所示。圖8為EFP速度、中心厚度、長度與長徑比隨內層壁厚變化的曲線。

結合圖7和圖8分析內層壁厚增大對于EFP成型的影響:

①由圖8(a)可知,EFP速度減小。因為內層壁厚增大導致藥型罩整體質量增加,故EFP速度減小。

②由圖8(b)可知,EFP中心厚度先增大后減小。因為內層壁厚增大使其各個微元質量增加,導致內層罩微元速度減小。又因為只改變了內層罩的結構參數,外層罩和裝填物所受到影響的變化相對較小。所以,當δ3<0.65 mm時,罩頂部分速度梯度變大,故拉伸變長,從而EFP中心厚度增大。當δ3>0.65 mm時,由于尾翼翻轉變形過大引起微元之間的牽制作用變大,從而導致EFP中心厚度減小。

③由圖7可知,EFP的形狀逐漸由向前壓攏型向向后翻轉型轉變。因為內層罩微元的速度減小,導致罩底微元的速度也隨之減小,從而使EFP尾翼位置逐漸向后移動,即EFP的形狀由壓攏型逐漸向翻轉型轉變;

④由圖8(c)、圖8(d)可知,EFP長度上下波動,徑向尺寸先變大后變小,長徑比先急劇減小后迅速增大。當δ3<0.25 mm時,EFP長度因尾翼的后翻而減小。當0.25 mm<δ3<1.15 mm時,EFP長度等于EFP中心厚度。在此區間,當0.25 mm<δ3<0.65 mm時,EFP的長度隨著中心厚度的增大而增大,當0.65 mm<δ3<1.15 mm時,隨著中心厚度的減小而減小。當δ3>1.15 mm時,EFP長度因為尾翼的逐漸后翻而稍微增大;EFP徑向尺寸隨著尾翼的翻轉先變大后變小;EFP長徑比在徑向尺寸和長度的共同作用下先減小后增大。

擬合EFP速度隨下壁厚變化的曲線方程:

(3)

式中:v3為EFP速度;δ3為內層壁厚。

2.5 對比分析

將EFP成型參數隨外層罩、內層罩和裝填物壁厚變化的曲線進行對比,如圖9所示。

由圖9(a)可知,內、外層壁厚的曲線幾乎重合,且變化速度很快,而裝填物壁厚的曲線變化較慢。這是因為內、外層罩材料的密度相對于裝填物材料較高,增加相同的厚度,質量增加相對較多,故其曲線變化較快。內、外層壁厚的曲線重合,說明EFP速度與EFP整體質量直接相關,而與某一層的質量無直接關系。

由圖9(b)可知,外層壁厚的改變對EFP的中心厚度影響很大,內壁厚次之,裝填物壁厚最小。根據上文的分析可知,這是因為三者對EFP成型影響的原理不同,這里不再贅述。

結合圖9(c)、圖9(d)可知,當外層壁厚過大時,EFP長徑比過小,導致侵徹效應降低;當裝填物壁厚過大時,形成的EFP其長度和徑向尺寸均很大,其尾翼部分在成型過程中容易被拉斷而影響EFP的飛行穩定性。通過觀察EFP仿真成型過程得知,裝填物壁厚過大導致藥型罩外圍的裝藥高度上升,從而使裝藥對藥型罩的作用時間變長,最終形成了這種不良的尾部形態;當內層壁厚過小時,雖然形成的EFP長徑比較大,但是過于壓攏的尾翼將影響其整體性能。

結合圖3和圖7可知,與外層壁厚相比,改變相同的數值,內層壁厚對于EFP尾翼形狀的影響更大。這是因為內罩微元從罩口到罩頂其外切錐半頂角從70°連續變化到90°,相比外罩從83°到90°,變化范圍更大,造成相鄰微元的軸向速度差相對較大,所以對EFP尾翼形狀的影響更大[11]。

3 藥型罩結構優化與EFP侵徹效應

結合各層壁厚對EFP成型的影響,對弧錐結合藥型罩的結構進行優化,優化后的結構參數如表2所示。圖10為藥型罩形成EFP的過程,從圖中可以看出,優化后的藥型罩能夠形成內含低密度材料的包覆式EFP,且包覆效果較好。

表2 優化的弧錐結合罩結構參數

圖11為EFP頭尾速度和中心厚度隨時間變化的曲線。結合圖10和圖11可知,EFP頭尾速度在100 μs時基本趨于一致,其頭部速度為2 308 m/s,長徑比為1.75。

EFP對靶板的侵徹結果如圖12所示。選取裝甲鋼為靶板材料,密度為7.83 g/cm3,尺寸為60 mm×60 mm×10 mm,其四周施加非反射邊界。圖12(a)為EFP侵徹靶板后的仿真結果,圖12(b)為其左視圖(隱藏了靶板),可以看出EFP在穿透靶板后碎裂成大量破片。圖12(c)和圖12(d)顯示了靶板被穿透的細節,其中開孔入口直徑為φ23 mm,出口直徑為φ34 mm。圖12(e)為EFP穿透靶板后的速度云圖,可以看出此時EFP產生的破片仍具有較高的速度。整體來看,EFP憑借內、外兩層藥型罩形成的殼體獲得了良好的穿甲性能,能夠穿透靶板并產生橫向效應對靶板擴孔,之后應力釋放,碎裂形成具有較高軸向、徑向速度的破片,對靶后目標進行有效毀傷。

4 結論

1)通過擬合EFP成型參數曲線分析了各層壁厚對EFP成型的影響規律,并得到了EFP速度隨各層壁厚變化的曲線方程,為今后進一步研究基于PELE效應的EFP具有一定的指導作用。

2)外層壁厚和裝填物壁厚取值不宜過大,內層壁厚取值不宜過小,三者分別在0.35～0.85 mm、0.2～1.6 mm、0.45～0.75 mm取值較為適宜;改變相同的數值,內、外層壁厚對EFP速度的影響幾乎一致,外層壁厚對于EFP中心厚度的影響最大,內層壁厚對于EFP尾翼形狀的影響最大。

3)設計的新型弧錐結合藥型罩,能夠形成具有PELE效應的包覆式EFP,在射入靶板時產生橫向效應使靶板擴孔,并在穿透靶板后產生大量破片對目標內部進行二次殺傷,對提升反輕型裝甲目標彈藥的毀傷能力有所幫助。